Опыт применения полимерных материалов в энергоэффективных системах вентиляции воздуха

Макиенко А.И.

Аннотация

Обобщены результаты работ по применению полимерных материалов в теплообменных устройствах утилизации тепла приточно-вытяжных систем вентиляции (рекуператорах). Определены требования к полимерным конструкционным и пористым материалам и их модификации применительно к использованию в конструкциях многофункциональны пластинчатых тепло-массообменных блоков (БПТМ). Приводятся экспериментальные данные зимних испытаний БПТМ в сравнении с их аналогами из алюминия и летних испытаний в режиме косвенно-испарительного охлаждения воздуха.

Введение

Исследованиями, выполненными группой специалистов ООО «АИР» при разработке регенеративных косвенно-испарительных кондиционеров, было практически показано [1, 2], что для пластинчатых теплообменных блоков возможен переход на новую технологическую базу – полимерные конструкционные материалы (сотовый полипропилен или поликарбонат) и капиллярно-пористое покрытие – композиционный материал, изготавливаемый по технологии спекания мелкодисперсного порошка сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) в смеси с порошком углерода (сажи) и ПАВ [3]. Достоинством такого материала в сравнении с известными пористыми материалами является необходимая механическая прочность (возможность изготовления рифленого покрытия, формирующего воздушный канал). Открытые поры в материале обеспечивают две функции:
– подача и испарение влаги с поверхности покрытия;
– сбор и накопление конденсата от переохлажденного воздуха.
Для пластинчатых многофункциональных тепло-массообменных блоков (БПТМ) систем кондиционирования и рекуперации определены технические требования к пористому покрытию:
– влагопоглощение не менее 90 % по массе;
– высота водоподъема не менее 200 мм за 30 мин.;
– стойкость к коррозии и короблению в кислых и щелочных водных растворах в диапазоне температур от –50 ºС до 100 ºС;
– общая толщина рифленого покрытия 2 мм;
– высота и шаг рифа 1,2 мм и 7 мм соответственно;
– удельная плотность по площади покрытия 0,55кг/м².
Проведенные бактериологические исследования состава воды в поддоне водоиспарительного кондиционера после непрерывной эксплуатации этого материала в течении 16 месяцев (на стенде) показали его применимость в теплообменных аппаратах [4].
Конструкция и технология эксплуатации БПТМ из полимерных материалов для рекуператоров получили свое развитие в рамках НИОКР (заказчик «МКНТ») [5].
Использование полимерных материалов в тепло-массообменных блоках рекуператоров имеет следующие преимущества в сравнении с их аналогами из алюминия:
– экологическая безопасность;
– многофункциональность (поглощение конденсата и охлаждение воздуха);
– простота сборки и эксплуатации;
– снижение металлоемкости (более чем в 2 раза);
– исключение коррозии при воздействии влаги на конструкцию блока;
– морозоустойчивость;
– противодействие образованию осадков, накипи и росту микроорганизмов (нет питательной среды [6]).
Известно [7, 8], что главной проблемой применения рекуператоров зимой является обеспечение их морозоустойчивости. Длительные ресурсные испытания БПТМ из полимерных материалов в зимних и летних условиях показали их эффективность и преимущества. При их испытании ставились две задачи:
1. Сравнительная оценка температурной эффективности пластинчатых тепломассообменных блоков, изготовленных из полимерных материалов и блока из алюминия в равных условиях в установке RIS-400;
2. Исследование эффективности применения конструкционных полимерных материалов и пористых покрытий в тепломассообменном блоке в зимних условиях и возможность дополнительное охлаждение вентилируемого воздуха в летний период за счет эффекта испарения влаги в потоке удаляемого воздуха.

Сравнительные испытания блоков

Конструктивно тепломассообменные блоки из полимерных материалов представляют собой набор чередующихся элементов – полых профильных пластин (сотовый полипропилен). При этом внутренняя полость пластин служит для подачи наружного воздуха. Нагрев (зимой) или охлаждение (летом) вентилируемого воздуха происходит за счет теплообмена со смежными каналами, по которым подается удаляемый поток воздуха из помещения. В перекрестной схеме смежные каналы блока проходят в поперечном направлении по отношению друг к другу и организуются за счет специальных вставок.
Рассматривается два варианта блоков из полимерных материалов, отличающихся способами создания смежных каналов:
– вставками из пластин такого же сотового материала (тип РРХ);
– вставками из пластин профилированного пористого полиэтилена (тип РМХ).
Технология сборки таких блоков и клеевые соединения элементов деталей значительно проще и надежно обеспечивает герметичность, в отличии от технологии сборки теплообменников из алюминия.
Конструктивные схемы вариантов конструкций БПТМ из полимерных материалов представлены на рис. А1.
Конструктивные показатели испытываемых теплообменных блоков типа «РРХ» и «РМХ», а также блока из алюминия HEATEX» приведены в табл.1.

Таблица 1. Конструктивные показатели испытываемых теплообменных блоков

№	Установка	РПВУ-160		RIS-400
№	Тип блока	РРХ	РМХ	РРХ	РМХ	HEATEX
1	Габариты блока, (мм×мм×мм)	430×430×288	430×430×288	300×300×250	300×300×250	300×300×250
2	Масса блока (в каркасе), кг	11,1	14,6	5,0	7,1	4,6
3	Число каналов блока (приток/вытяжка)	71/70	48/47	41/40	35/34	36/35

Следует отметить, что несколько большая масса у блока РРХ по сравнению с аналогичным блоком из алюминия вызвана наличием металлического наружного каркаса у блоков из полимерных материалов, необходимым для монтажа в корпусе рекуператора. Масса блока типа РМХ увеличена за счет пористого покрытия.
В табл. 2 представлены результаты сравнительных испытаний двух различных вариантов блоков РРХ и РМХ из полимерных материалов и блока из алюминия «HEATEX» в установке RIS-400
Таблица 2. Результаты сравнительны испытаний теплообменных блоков

Параметры	«HEATEX»		РРХ		РМХ
расход приточного воздуха Qa, м³/ч	522	458	521	448	416	355
расход воздуха, удаляемого из помещения;Qc, м³/ч	385	392	365	372	272	281
наружная температура приточного воздуха Ta, ºC	2,6	3,8	–0,1	–0,1	0,4	0,4
температура приточного воздуха на входе в помещение Tb, ºC	11,7	12,8	10,2	10,8	12,2	12,6
температура воздуха, удаляемого из помещения Tc, ºC	21,0	21,0	20,6	20,3	20,8	20,6
температурная эффективность Kt, %	49,5	52,3	49,8	53,4	57,8	60,2

Kt = (Ta-Tb)/(Ta-Tc).

Как следует из табл. 2, показатели температурной эффективности Kt блоков «HEATEX» и РРХ практически совпадают. Блок типа РМХ имеет несколько более высокий показатель Kt и меньший расход воздуха из-за увеличенного аэродинамического сопротивления воздушных каналов.

Зимние климатические испытания блоков из полимерных материалов

Климатические испытания БПТМ проводились в помещении площадью и объемом 32 м2 и 150 м3 соответственно. При испытаниях блока РМХ температура и влажность воздуха в помещении регулировалась. Температура определялись цифровым термометром YOKOGAWA (модель 245516 # 74JV0002), влажность по гигрометру HYGRO-M4 (модель M4-PP/P-2-SR # 0550296).
Исследования проводились в установке РПВУ-160, которая была специально спроектирована для этих целей. В состав установки входили: два вентилятора, поддон для сбора конденсата, электронагреватель (ТЭН) на входе удаляемого воздуха и три клапана KA, KD и KAD, обеспечивающие четыре режима эксплуатации (приток, вытяжка, совместная работа притока и вытяжки и циркуляция воздуха в помещении). Режим циркуляции позволял сушить (или размораживать) блок и, при необходимости, увлажнять помещение. Кратность обмена воздуха в помещении составляла не менее единицы.
Основные характеристики РПВУ-160 приведены в табл. 3 (определены при контрольных испытаниях с участием МНИИТЭП /5/).

Таблица 3. Основные характеристики РПВУ-160

Наименование	Блок РРХ	Блок РМХ
Номинальный расход воздуха, (приток/вытяжка), м3/ч	160/160	160/160
Электрическая мощность вентиляторов NW, Вт	80/80	80/80
Температурная эффективности Kt в номинальных условиях*, %	82	86
Максимальный расход воздуха, (приток/вытяжка), м3/ч	295	215
Температурная эффективность Kt при максимальном расходе воздуха, %	71	80

* Температура в помещении Тс = 20 °С, температура наружного воздуха. Та = –3,1 °С (средняя за отопительный сезон в Москве).

Ресурсные испытания блока типа РРХ проводились в течение месяца в зимний сезон 2004/2005 года. Температура в помещении выдерживалась около 20 °С при начальной относительной влажности в диапазоне от 24 до 10 % и температуре наружного воздуха в диапазоне от –11,2 до 7,8 °С. При работе РПВУ на входе удаляемого воздуха включался ТЭН (мощность 1 кВт) для поддержания температуры вентилируемого воздуха, близкой к температуре помещения. Результаты замеренных средних дневных температур наружного воздуха и вычисленных средних дневных показателей температурной эффективности Kt представлены в приложении А. Как следует из таблицы и графика на рис. А3, показатель Kt стабилен и находился в пределах значений 90 ±3 %. С учетом 10 %-ного уровня потерь тепла с удаляемым воздухом, реальная эффективность рекуператора с блоком РРХ находилась на расчетном уровне 80 %.
При работе дополнительного увлажнителя в помещении происходило быстрое снижение температурной эффективности и расхода удаляемого влажного воздуха, несмотря на его подогрев. В качестве иллюстрации процесса обмерзания в приложении А на рис. А4 дана выписка из протокола испытаний с замерами температур и расхода удаляемого воздуха.
Задача испытаний морозоустойчивого блока типа РМХ состояла в определении способа обеспечения максимального времени стабильной работы РПВУ при интенсивном увлажнении помещения и низких температурах наружного воздуха. При работе рекуператора, подающего сухой наружный воздух, уровень относительной влажности при температуре не удалось поднять больше 39 % (средний уровень влажности составил 35 %, а общее количество накопленной влаги в объеме 150 м³ составляло 0,9 л). При этом за 7 ч работы увлажнитель испарил в помещении 15 л воды.
Результаты испытаний представлены в табл. 4.

Таблица 4. Выписка из протокола зимних испытаний блока РМХ

Как видно из приведенных данных, пористые вставки блока РМХ обеспечили стабильную работу РПВУ. Масса накопленной влаги, определенной путем взвешивания блока после испытаний, составило 3,4 кг. Следовательно, при дневной производительности увлажнителя в помещении менее величины накапливаемой в блоке влаги морозоустойчивость рекуператора обеспечена. Для продолжительной стабильной работы РПВУ в условиях повышенной влажности необходимо регулярно просушивать блок в режиме циркуляции или удаления влаги на улицу при отключенной системе увлажнения.

Летние климатические испытания блока РМХ в режиме косвенно-испарительного охлаждения воздуха

Жаркое лето 2010 года в Москве позволило на опытном образце КРПВУ-160 (доработанный образец РПВУ-160, с блоком РМХ3, снабженный системой циркуляции воды из поддона через пористое покрытие в канале удаляемого воздуха) экспериментально продемонстрировать возможности БПТМ как системы косвенно-испарительного охладителя приточного воздуха.
Результаты испытаний представлены в табл. 5.

Таблица 5

			ПРОТОКОЛ		№2/2010
№	Дата	Время	Измеряемые параметры			Kt, %
	Дата	Время	Та, ˚С	Тb, ˚С	Тc, ˚С	Kt, %
1	23.06.2010	10:30	26,4	20,5	23,9	236,0
2		11:00	26,5	20,1	22,5	160,0
3		11:30	27,1	20,0	22,0	139,2
4		12:00	28,1	20,1	22,8	150,9
5		13:00	28,6	19,9	22,6	145,0
6		14:00	29,0	19,2	22,6	153,1
7		15:00	29,1	19,1	22,6	153,8
8		16:00	29,1	19,0	22,3	148,5
9		17:30	28,3	19,3	22,6	157,9
10		18:30	28,0	19,6	22,6	155,6
Среднее значение			28,2	19,6	22,5	151,6

Как следует из приведенных данных, летом эффективность рекуперации составила в среднем 150,6 % (дополнительно воздух охлаждался испарением воды в блоке). Расход воды на испарение за 8 ч работы КРПВУ-160 составил 10 л. Эффективность КРПВУ-160 как испарительного кондиционера, определяемая по температуре мокрого термометра вентилируемого воздуха, составила 64 %.
Таким образом, конструкция КРПВУ совмещает в себе функции приточно-вытяжной системы с утилизацией тепла (зимой) и летом дополнительно включает функцию охлаждения. Применение КРПВУ совместно с тепловым насосом позволяет получить существенную экономию при создании комфортных условий в помещении, как в летний, так и зимний сезоны.

Выводы

1. Пластинчатые теплообменные блоки из сотового полипропилена для РПВУ эквивалентны по температурной эффективности блокам из алюминия при равных конструктивных параметрах.
2. Многофункциональные пластинчатые тепломассообменные блоки с пористыми вставками имею высокую морозоустойчивость при правильном подборе объема блока, производительности увлажнителя и кратности обмена приточно-вытяжной системы вентиляции.
3. Комбинированные РПВУ с системой увлажнения пористых вставок БПТМ могут работать в режиме косвенно-испарительного охлаждения воздуха.

Литература

1. Канашин С. П., Макиенко А. И., Матвеев В. А., Морозов В. А., Хрящев В. Г. Метод регенеративного косвенно-испарительного охлаждения – технические проблемы практической реализации: доклад на II съезде АВОК.
2. Канашин С. П., Краснощеков Ю. И., Макиенко А. И., Матвеев В. А., Хрящев В. Г. Применение синтетических полимерных и пористых материалов в автономных системах микроклимата: доклад на IV съезде АВОК.
3. ТУ 6-55-221-1980–93. Материал пористый из полиэтилена.
4. Санитарно-эпидемиологическое заключение на пористый материал № 33.ВЛ.05.872.П.000090.02.01, изготовленный в соответствии с ТУ 6-55-221-1980–93.
5. НИОКР. Разработка экологически безопасного многофункционального тепло-массообменного блока из полимерных материалов для энергосберегающих систем кондиционирования воздуха.
6. Гигиенический теплообмен для комфортного кондиционирования воздуха. Hygienischer Wärmeastausch //Ki Luft und Kältetechn, 1998,-34,#8-C.363.
7. Вишневский Е. П. Особенности обеспечения эффективности работы пластинчатых теплообменников рекуператоров нового типа в суровых климатических условиях // С.О.К. 2005. № 1.
8. Дискин М. Е. Эффективность рекуперации теплоты в системах вентиляции // АВОК. 2006. № 4.

9. Макиенко А. И., Хрящев В. Г., Матвеев В. А. Устройство кондиционирования воздуха. Пат. № 2216694 от 28.06.2002.

Приложение А
А1. Схемы конструкций БПТМ…………………………………………........... 2
А2. Монтажная схема РПВУ-160……….…………………………………........ 3
A3. Статистический анализ результатов ресурсных испытаний блока РРХ.... 4
А4. Выписка из протокола зимних испытаний блока РPХ…………………… 5

Рис. А1. Схемы конструкций БПТМ